激光加工dmu.pptx

1第五章第五章 激光加工激光加工2014.10.21材料20112概 述激光加工：Laser Beam Machining，LBM是特种加工的一个重要分支发展：20世纪60年代初发展起来目前：较为成熟，广泛应用。加工原理：(1)利用光的能量，经过透镜聚焦，在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应加工各种材料。3第一节 激光加工的原理和特点光的物理概念及原子的发光过程 光具有波粒二象性波动性：具有波长l、频率m和波速c可见光波长：0.4-0.76 mm红外线波长：0.76 mm紫外线波长：0.4 mmCuCl2水溶液水溶液一、激光的产生原理一、激光的产生原理4第一节 激光加工的原理和特点粒子性：具有一定能量的，以光速运动的粒子流，称为光子。光子的能量与光的频率成正比。普朗克常数h：6.6310-34JS波长为0.4 mm的紫光光子能量约为4.9610-17J波长为0.7 mm的红光光子能量约为2.8410-17JCuCl2水溶液水溶液5原子内能：电子绕原子核旋转的动能以及电子被原子核吸引的位能之和基态：电子在最靠近原子核的轨道上运动最稳定，此时原子所处的能级状态称为基态。激发态：当原子获得能量，内能增加，外层电子轨道半径扩大，被激发到高能级，称为激发态；二、原子的发光二、原子的发光跃跃迁迁激激发发6自发辐射：原子从高能态自发跃迁到低能态而发光的过程；放出的光子的频率与高能态与低能态之差存在如下关系：例：日光灯、氙灯特点：频率波长不一，单色性及方向性很差跃迁：被激发到高能级的原子是不稳定的，力图回到低能级，这种从高能级回落到低能级的过程称为“跃迁”7受激辐射：当一束光入射到具有大量激发态原子的系统中，若这束光的频率与 很接近，激发态原子在这束光的激发下，跃迁回较低能级，同时发出一束光。这束光与入射光频率、相位、传播方向、偏振方向完全一致。这样的发光过程称为受激辐射。8激光的产生激光产生的两个条件：1.粒子数反转 具有亚稳态结构的物质，在一定外来光子能量激发条件下，吸收光能，使处在较高能级(亚稳态)的原子或粒子数目大于处于低能级的原子或粒子数目。2.受激辐射9激光的特性具有一般光的特性，同时又与普通光源不同：光发射以受激辐射为主，发出的光波具有相同的频率、方向、偏振态和严格的位向关系。1.强度高 由于激光实现了光能在空间和时间上的亮度和能量集中，具有较高的亮度和能量密度。102.单色性好 在光学领域中，单色是指光的波长(或频率)为一个确定的数值，严格意义上的单色光是不存在的。波长为l0的单色光是指以 l0为中心波长，谱线宽度为 的光谱范围。越小，单色性越好。激光出现前，氪光源最好，只有0.00047 nm;激光光源谱线宽度可小于10-8 nm3.相干性好 光源的相干性可以用相干时间和相干长度来度量。光源先后发出的两束光能够产生干涉现象的最大时间间隔。在最大时间间隔内走过的路程为相干长度。光源的相干长度L114.方向性好光束的方向性用光束的发散角来表征普通光源发射的光束很发散，发散角 0.1sr。激光光束各发光中心互相关联的定向发射，发散角可以达到 110-4sr。普通光源 激光光源亮度电灯：约470sb太阳：约1.65X105 sb红宝石激光器，约1.65X1015sb功率1000MW/cm2方向无确定方向、发散角大、难会聚发散角小到0.1mrad（近似平行光），光束会聚其焦点处光斑10um单色性氪灯的光源谱线宽为0.0047 激光的谱线宽度为10-7相干性氪灯光源的相干长度78cm激光的相干长度可达几十公里12激光加工的特点1）适应性强适应性强激光加工的功率密度高，几乎激光加工的功率密度高，几乎能加工任何材料能加工任何材料，如各种金，如各种金属、属、陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。陶瓷、石英、金刚石、橡胶等。2 2）加工精度高）加工精度高3）加工质量好加工质量好4 4）加工速度快）加工速度快 效率高效率高激光束可聚焦成激光束可聚焦成微米级的光斑微米级的光斑（理论上直径可小于（理论上直径可小于1um1um）适合精密微细加工。适合精密微细加工。激光加工能量密度高激光加工能量密度高,热作用时间很短热作用时间很短,整个加工区几乎不整个加工区几乎不受热的影响受热的影响,工件热变形极小工件热变形极小，故可加工对热冲击敏感的，故可加工对热冲击敏感的材料。材料。激光激光打孔只需打孔只需0.01s0.01s，切割切割比常规方法比常规方法提高效率提高效率8 82020倍倍，激光焊激光焊接可提高接可提高效率效率3030倍倍，微调，微调薄膜电阻薄膜电阻可提高可提高10001000倍倍，提高精度提高精度1 12 2数量级。数量级。5 5）容易实现）容易实现 自动化加工自动化加工激光束传输方便，激光束传输方便，易于易于控制，便于与机器人、自动检测、控制，便于与机器人、自动检测、计算机计算机数字控制等先进技术相结合数字控制等先进技术相结合。136）通用性强通用性强用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理用一台激光器改变不同的导光系统，可以处理各种形状和各种形状和尺寸的工件尺寸的工件。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置。也可以选择适当的加工条件，用同一台装置进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。进行切割、打孔、焊接和表面处理等多种加工。7 7）节能节材）节能节材激光束的激光束的能量利用率能量利用率为常规热加工工艺的为常规热加工工艺的101000101000倍，激倍，激光切割可以光切割可以节省材料节省材料15%30%15%30%。8 8）激光可通过光学透明介质（玻璃、空气、惰性气体和某些液体）对工件）激光可通过光学透明介质（玻璃、空气、惰性气体和某些液体）对工件 进行加工。进行加工。激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。激光加工是一种瞬时、局部的熔化和气化加工，影响因素多。因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此因此，微细加工时的重复加工精度和表面粗糙度不易保证。此外对具有高热传导率材料的加工较困难。外对具有高热传导率材料的加工较困难。不足点不足点14第二节 激光加工的基本设备激激光光器器是是激激光光加加工工的的核核心心设设备备，通通过过它它可可以以把把电电能能转转化化成成光光能能，获获得得方方向向好好、能能量量密密度度高高、稳稳定定的的激激光光束束。按按激激活活介介质质种种类类分分：固固体体激激光光器器、气气体体激激光光器器。按按工工作作方方式式分分：连连续续激激光器和脉冲激光器。光器和脉冲激光器。1）激光器激光器2）激光器电源激光器电源3）光学系统光学系统4）机械系统机械系统为激光器提供所需要的为激光器提供所需要的能量及控制功能能量及控制功能。光学系统包括光学系统包括聚焦系统聚焦系统和和观察瞄准系统观察瞄准系统。聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上；聚焦系统的作用是把激光引向聚焦物镜，并聚焦在加工工件上；观察描准系统能观察和调整激光束的焦点位置并将加工位置显示观察描准系统能观察和调整激光束的焦点位置并将加工位置显示在投影仪上。在投影仪上。机械系统主要包括机械系统主要包括床身床身、工作台工作台和和机电控制系统机电控制系统。1516固固体体激激光光器器包包括括工工作作物物质质、光光泵泵、玻玻璃璃套套管管和和滤滤光光液液、冷却水、聚光器以及谐振腔冷却水、聚光器以及谐振腔等部分。等部分。17光泵光泵：供给工作物质光能：供给工作物质光能,一般为氙灯或氪灯。一般为氙灯或氪灯。聚聚光光器器：将将氙氙灯灯发发出出的的光光能能聚聚集集在在工工作作物物质质上上。有有圆圆球球形形、圆柱形、椭圆柱形以及紧包裹形。圆柱形、椭圆柱形以及紧包裹形。玻璃套管和滤光液：玻璃套管和滤光液：主要用来滤去氙灯发出的紫外线成分。主要用来滤去氙灯发出的紫外线成分。谐谐振振腔腔：由由两两块块反反射射镜镜组组成成，使使激激光光沿沿轴轴向向来来回回反反射射共共振振，加强和改善激光输出。加强和改善激光输出。18固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光器是掺有质量分数为0.05%氧化铬的氧化铝晶体，发射l=0.6943mm的红光，易于获得相干性好的单模输出，稳定性好红宝石激光器三能级系统激光器主要是铬离子起受激辐射作用。19固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器红宝石激光跃迁过程如图。在高压氙灯照射下，铬离子从基态E1被抽运到E3吸收带，由于E3平均寿命短，小于10-7s,大部分粒子通过无辐射跃迁落到亚稳态E2上，E2平均寿命为310-3s，可储存大量粒子，实现E2 与E1之间的粒子数反转。一般为脉冲输出，工作频率小于1次。在激光发展初期应用较多，现在大多被钕玻璃激光器和掺钕钇铝石榴石激光器所代替。20固体激光器固体激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器是掺有少量氧化钕的非晶体硅酸盐玻璃，钕离子的质量分数为1-5%左右，发射l=1.06mm的红外激光。钕玻璃激光器是四能级系统激光器，更容易实现粒子反转。其激光跃迁如右图。21固体激光器固体激光器钕玻璃激光器钕玻璃激光器在高压氙灯照射下，钕离子从基态E1被激发到E4能级，E4平均寿命短，通过无辐射跃迁落到E3能级上，E3平均寿命为310-4s，形成E3 与E2之间的粒子数反转。优点：光线发射角小，适于精密微细加工，一般为脉冲输出，工作频率几次/秒。缺点：导热性差，需要较好的冷却系统。22固体激光器固体激光器掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器掺钕钇铝石榴石激光器是在钇铝石榴石晶体中掺以1.5%左右的钕而成。也属于四能级系统。产生激光的也是钕离子，也发出l=1.06mm的红外激光。优点：与钕玻璃激光器相比，钇铝石榴石的热物理性能好，有较好的导热性，膨胀系数小，机械强度高，效率可达3%。可以以脉冲方式工作，也可以连续方式工作，工作效率可达10-100次/秒，连续输出功率达几百瓦。尽管价格昂贵，但性能优越，广泛用于打孔、切割、焊接微调等工作。23气体激光器气体激光器气体激光器一般采用电激励，因其效率高、寿命长、连续输出功率大，所以广泛用于切割、焊接、热处理加工。常用于材料加工的气体激光器有二氧化碳激光器、氩离子激光器等24以以二氧化碳为工作物质二氧化碳为工作物质的分子激光器。的分子激光器。输输出出功功率率高高：连连续续输输出出功功率率可可达达万万瓦瓦，是是目目前前连连续续输输出出功功率率最最高高的的激激光器。为提高输出功率，常加进氮、氦、氙等辅助气体和水蒸汽。光器。为提高输出功率，常加进氮、氦、氙等辅助气体和水蒸汽。效效率率高高：可可达达20%20%以以上上；一一方方面面是是由由于于工工作作能能级级寿寿命命长长，大大约约1010-1-1-10-10-3 3s s，另一方面是由于激励阈值低，另一方面是由于激励阈值低;通过高压直流放电进行激励波长10.6m附近的红外区，为不可见光气体激光器气体激光器COCO2 2激光器激光器25二氧化碳激光器结构如右图所示主要包括放电管、谐振腔、冷却系统和激励电源等部分26主要是惰性气体氩通过气体放电，使氩原子电离并激发，实现离子数反转而产生激光。氩离子激光器发现的谱线很多，最 强 的 是 波 长 为l=0.5145mm的绿光和波长为l=0.4880mm的兰光。能量转换效率低，一般只有0.05%左右。激光器波长较短，发散角小，可用于精密加工。气体激光器气体激光器氩离子激光器氩离子激光器27 加加加加工工工工材材材材料料料料范范范范围围围围广广广广：适适适适用用用用于于于于加加加加工工工工各各各各种种种种金金金金属属属属材材材材料料料料和和和和非非非非金金金金属属属属材材材材料料料料，特特特特别别别别适适适适用用用用于于于于加加加加工工工工高高高高熔熔熔熔点点点点材材材材料料料料，耐耐耐耐热热热热合合合合金金金金及及及及陶陶陶陶瓷瓷瓷瓷、宝宝宝宝石石石石、金金金金刚刚刚刚石石石石等等等等硬硬硬硬脆脆脆脆材材材材料。料。料。料。加加加加工工工工性性性性能能能能好好好好：工工工工件件件件可可可可离离离离开开开开加加加加工工工工机机机机进进进进行行行行加加加加工工工工，可可可可透透透透过过过过透透透透明明明明材材材材料料料料加加加加工工工工，可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。可在其他加工方法不易达到的狭小空间进行加工。非接触加工方式非接触加工方式非接触加工方式非接触加工方式，热变形小，加工精度较高。，热变形小，加工精度较高。，热变形小，加工精度较高。，热变形小，加工精度较高。可可可可进进进进行行行行微微微微细细细细加加加加工工工工：激激激激光光光光聚聚聚聚焦焦焦焦后后后后焦焦焦焦点点点点直直直直径径径径理理理理论论论论上上上上可可可可小小小小至至至至1111以以以以下下下下，实实实实际上可实现际上可实现际上可实现际上可实现0.01mm0.01mm0.01mm0.01mm的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。的小孔加工和窄缝切割。加工速度快加工速度快加工速度快加工速度快，效率高。，效率高。，效率高。，效率高。激激激激光光光光加加加加工工工工不不不不仅仅仅仅可可可可以以以以进进进进行行行行打打打打孔孔孔孔和和和和切切切切割割割割，也也也也可可可可进进进进行行行行焊焊焊焊接接接接、热热热热处处处处理理理理等等等等工工工工作。作。作。作。激光加工激光加工激光加工激光加工可控性好可控性好可控性好可控性好，易于实现自动控制。加工设备昂贵。，易于实现自动控制。加工设备昂贵。，易于实现自动控制。加工设备昂贵。，易于实现自动控制。加工设备昂贵。激激激激 光光光光 加加加加 工工工工 特特特特 点点点点第三节 激光加工工艺及应用28当当当当激激激激光光光光束束束束照照照照射射射射到到到到工工工工件件件件表表表表面面面面时时时时，光光光光能能能能被被被被吸吸吸吸收收收收，转转转转化化化化成成成成热热热热能能能能，使使使使照照照照射射射射斑斑斑斑点点点点处处处处温温温温度度度度迅迅迅迅速速速速升升升升高高高高、熔熔熔熔化化化化、气气气气化化化化而而而而形形形形成成成成小小小小坑坑坑坑，由由由由于于于于热热热热扩扩扩扩散散散散，使使使使斑斑斑斑点点点点周周周周围围围围金金金金属属属属熔熔熔熔化化化化，小小小小坑坑坑坑内内内内金金金金属属属属蒸蒸蒸蒸气气气气迅迅迅迅速速速速膨膨膨膨胀胀胀胀，产产产产生生生生微微微微型型型型爆爆爆爆炸炸炸炸，将将将将熔熔熔熔融融融融物物物物高高高高速速速速喷喷喷喷出出出出并并并并产产产产生生生生一一一一个个个个方方方方向向向向性性性性很很很很强强强强的的的的反反反反冲冲冲冲击击击击波波波波，于于于于是是是是在在在在被被被被加工表面上打出一个上大下小的孔。加工表面上打出一个上大下小的孔。加工表面上打出一个上大下小的孔。加工表面上打出一个上大下小的孔。激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔29 1.1.1.1.焦焦点点位位置置对对孔孔的的质质量量影影响响：焦焦点点位位置置对对孔孔的形状和深度都有很大影响。的形状和深度都有很大影响。斑斑点点位位置置低低，产产生生喇喇叭叭口口，影影响响加加工工深深度度。斑点斑点位置高位置高会因能量密度小而无法加工；会因能量密度小而无法加工；一一般般激激光光的的实实际际焦焦点点位位置置在在工工件件的的表表面面或或略略微低于微低于工件表面为宜。工件表面为宜。激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔30 2.2.2.2.输出功率与照射时间输出功率与照射时间输出功率大，照射时间长时，工件所获得的激光能量大输出功率大，照射时间长时，工件所获得的激光能量大照射时间一般为几分之一到几毫秒照射时间一般为几分之一到几毫秒能能量量一一定定时时，时时间间太太长长会会使使热热量量传传到到非非加加工工区区，时时间间太太短短则则因因功功率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，降低能量使用效率。率密度过高而使蚀除物以高温气体喷出，降低能量使用效率。3.3.焦距与发散角焦距与发散角尽量减小激光束的发散角，并尽可能采用短焦距。尽量减小激光束的发散角，并尽可能采用短焦距。光斑内能量分布光斑内能量分布经经聚聚焦焦合合光光斑斑内内能能量量的的分分布布是是不不同同的的。焦焦点点中中心心强强度度最最大大，越越远远离离中中心心强强度度越越小小。当当激激光光束束不不是是基基模模输输出出时时，能能量量分分布布不对称，则打出的孔也不对称。不对称，则打出的孔也不对称。焦焦点点附附近近的的光光强强度度分分布布与与工工作作物物质质的的光光学学均均匀匀性性以以及及谐谐振振腔腔调整精度直接相关。调整精度直接相关。激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔31 4.4.4.4.多次照射多次照射一次一次照射，深度约为孔径的五倍且锥度较大照射，深度约为孔径的五倍且锥度较大多次多次照射，深度增加，锥度减小，且孔径几乎保持不变照射，深度增加，锥度减小，且孔径几乎保持不变孔的深度并不与照射次数成正比孔的深度并不与照射次数成正比受孔内壁反射、透射以及激光的散射，排屑困难等影响受孔内壁反射、透射以及激光的散射，排屑困难等影响激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔32 5.5.5.5.工件材料的影响工件材料的影响材料对激光能量的吸收效率与工件材料的吸收谱及激光波长有关。材料对激光能量的吸收效率与工件材料的吸收谱及激光波长有关。同时材料对激光能量的吸收效率与材料表面粗糙度有关同时材料对激光能量的吸收效率与材料表面粗糙度有关激激激激光光光光打打打打孔孔孔孔 右右图图为为红红宝宝石石激激光光照照射射钢钢表表面面时时表表面面粗粗糙糙度度与与加加工工深深度度的关系。的关系。表表面面粗粗糙糙度度5 5m mmm时时，粗粗糙糙度度对对加加工工深深度度影影响响较较大大；当当表表面面粗粗糙糙度度 5 5m mmm时，则时，则影响不大影响不大。33激光切割激光切割激光切割激光切割 激激激激光光光光切切切切割割割割具具具具有有有有切切切切缝缝缝缝窄窄窄窄、速速速速度度度度快快快快、热热热热影影影影响响响响区区区区小小小小、省省省省材材材材料料料料、成成成成本本本本低低低低等等等等优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。优点，并可以在任何方向上切割，包括内尖角。可可可可以以以以切切切切割割割割钢钢钢钢板板板板、不不不不锈锈锈锈钢钢钢钢、钛钛钛钛、钽钽钽钽、镍镍镍镍等等等等金金金金属属属属材材材材料料料料，以以以以及及及及布布布布匹匹匹匹、木材、纸张、塑料等木材、纸张、塑料等木材、纸张、塑料等木材、纸张、塑料等非金属材料非金属材料非金属材料非金属材料。34激光打标激光打标35激激激激光光光光雕雕雕雕刻刻刻刻36 激激激激光光光光内内内内雕雕雕雕机机机机采采采采用用用用定定定定光光光光式式式式和和和和动动动动光光光光式式式式相相相相结结结结合合合合的的的的工工工工作作作作方方方方式式式式，在在在在计计计计算算算算机机机机控控控控制制制制下下下下，通通通通过过过过水水水水晶晶晶晶体体体体与与与与激激激激光光光光聚聚聚聚焦焦焦焦点点点点的的的的相相相相对对对对运运运运动动动动，激激激激光光光光聚聚聚聚焦焦焦焦点点点点在在在在水水水水晶晶晶晶内内内内微微微微爆爆爆爆炸炸炸炸形形形形成成成成一一一一个个个个小小小小点点点点，由由由由无无无无数数数数有有有有序序序序的的的的点点点点组组组组成成成成一一一一幅幅幅幅精精精精致致致致、完完完完美美美美的的的的立立立立体体体体图案。图案。图案。图案。水晶内雕水晶内雕37激光微加工激光微加工激光微加工激光微加工38激激激激光光光光淬淬淬淬火火火火技技技技术术术术是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到是利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升高到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到热作用，使表层快速冷却到热作用，使表层快速冷却到热作用，使表层快速冷却到马氏体马氏体马氏体马氏体相变点以下，获得相变点以下，获得相变点以下，获得相变点以下，获得淬硬层淬硬层淬硬层淬硬层。39齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿圈周向螺旋扫描激光淬火齿圈周向螺旋扫描激光淬火 齿轮轴激光表面淬火齿轮轴激光表面淬火齿轮轴激光表面淬火齿轮轴激光表面淬火 卷曲机大面积激光相变卷曲机大面积激光相变卷曲机大面积激光相变卷曲机大面积激光相变 轴毂激光表面淬火轴毂激光表面淬火轴毂激光表面淬火轴毂激光表面淬火 40激激激激光光光光表表表表面面面面处处处处理理理理影响：影响：疲劳强度疲劳强度耐腐蚀性耐腐蚀性耐磨性等耐磨性等41激光表面融凝技术激光表面融凝技术激光融覆技术激光融覆技术杂质、气孔、化合物释放出来杂质、气孔、化合物释放出来基层表面添加熔覆材料基层表面添加熔覆材料42激光表面改性技术及其优点激光表面改性技术及其优点激光表面处理激光表面处理是采用大功率密度的激光束，以是采用大功率密度的激光束，以非接触性非接触性的方式加热材料的方式加热材料表面，表面，在材料表面形成一定厚度的处理层，在材料表面形成一定厚度的处理层，借助于材料表面本身传导冷借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法，却，来实现其表面改性的工艺方法，可以改善材料表面的力学性能、冶可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能金性能、物理性能，从而提高零件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能以满足各种不同的使用要求。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天以满足各种不同的使用要求。激光表面改性技术广泛应用于航空、航天、机械、电器、兵器和汽车制造行业。、机械、电器、兵器和汽车制造行业。AVCO公司提出了金属表面激光热处理的设想；公司提出了金属表面激光热处理的设想；1974年申请了世界上第一年申请了世界上第一个激光熔覆专利，并在近十年内得到迅速发展。个激光熔覆专利，并在近十年内得到迅速发展。43激光表面改性技术优点(1)能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化：(2)能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；(3)处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线：处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线：(4)改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；改性效果比普通方法更显著，速度快，效率高，成本低；(5)通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；通常只能处理一些薄板金属，不适宜处理较厚的板材；(6)由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全由于激光对人眼的伤害性影响工作人员的安全，因此要致力于发展安全设施。设施。44激光表面 改性技术的分类 激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分分激光表面改性技术的分类方法很多，通常可以根据其是否改变基材成分分成两大类：成两大类：激光表面改性技术激光表面改性技术不改变基材成分不改变基材成分改变基材成分改变基材成分激光淬火激光淬火(激光相变硬化激光相变硬化)激光极化激光极化激光熔凝淬火激光熔凝淬火激光冲击硬化激光冲击硬化激光熔覆激光熔覆激光合金化激光合金化激光清洗激光清洗激光组织细化激光组织细化激光物理气象沉积激光物理气象沉积激光增强电镀激光增强电镀激光化学气相沉积激光化学气相沉积激光退火激光退火激光非晶化激光非晶化激光诱导液相沉积激光诱导液相沉积45激光淬火技术激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上，金激光淬火又称激光相变硬化，就是利用激光将金属材料加热到相变点以上，金属熔化以前，依靠金属属熔化以前，依靠金属自身冷却自身冷却达到淬火的目的。达到淬火的目的。激光相变硬化的实质是马氏激光相变硬化的实质是马氏体相变硬化。体相变硬化。马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体也被显马氏体和亚结构晶粒都被超细化，相变硬化后残余奥氏体也被显著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料著强化。与常规热处理淬火相比较，激光相变后材料硬度要提高硬度要提高，低碳钢也能，低碳钢也能提高一定的硬度。提高一定的硬度。优点（1）工件表面强度高，比常规淬火高）工件表面强度高，比常规淬火高5%-20%（2）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小）加热速度快，热影响区小，淬火应力及变形小（3）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化）可对形状复杂的零件盒不能用其他方法处理的零件进行局部硬化（4）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化）工艺周期短，生产效率高，易实现自动化（5）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小）激光淬火靠热量由表及里的传导自冷，无需冷介质，对环境污染小46激光表面熔凝激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，将材料表面层熔化，然后依靠材激光表面熔凝是采用高能量密度的激光，将材料表面层熔化，然后依靠材料料自身快速冷却凝固自身快速冷却凝固。利用激光表面熔凝技术实现材料表面。利用激光表面熔凝技术实现材料表面局部的快速加局部的快速加热和冷却热和冷却，从而获得非常细密的非平衡快速凝固组织。在较大的程度上增，从而获得非常细密的非平衡快速凝固组织。在较大的程度上增强了材料表层的耐磨性和耐蚀性，使材料性能得到改善。强了材料表层的耐磨性和耐蚀性，使材料性能得到改善。优点（1 1）表面熔化时可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝层与材料基）表面熔化时可添加超硬耐磨金属元素或化学元素，熔凝层与材料基体形成冶金结合。体形成冶金结合。（2 2）熔凝过程中，可以排除杂质和气体。）熔凝过程中，可以排除杂质和气体。（3）其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时其熔层薄、热作用区小，对表面粗糙度和工件尺寸影响不大，有时可不再进行后续磨光而直接使用。可不再进行后续磨光而直接使用。（4）提高溶质原子在基体中固溶度极限。提高溶质原子在基体中固溶度极限。47激光冲击硬化 利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速膨利用高能密度激光束照射金属材料表面，由于金属升华气化而急速膨胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金属胀，产生的高于材料的动态屈服强度的高压应力波，从而提高了金属材料的物理机械性能。材料的物理机械性能。激光冲击硬化原理示意图激光冲击硬化原理示意图48优点（1）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。）激光冲击强化改善了材料表面的耐磨性和耐腐蚀性能。（2）大大提高材料的强度和硬度。这项新技术最显著的特点）大大提高材料的强度和硬度。这项新技术最显著的特点（3）最大的优点最大的优点在于明显改善材料的抗疲劳性能。在于明显改善材料的抗疲劳性能。（由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的表面（由于激光冲击强化后使材料产生的变形很小，不产生热影响区，也不改变材料的表面粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）粗糙度，非常适合于微孔区、焊缝热影响区等局部区域的表面强化。）49激光表面合金化利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基体金属表面混合熔利用高能量的激光束使根据需求加入的合金层涂层与基体金属表面混合熔化，在极短的时间内，形成不同化学成分和结构表面的合金层。化，在极短的时间内，形成不同化学成分和结构表面的合金层。激光表面合金化原理示意图激光表面合金化原理示意图50优点（1）发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。）发生成分、组织和性能变化的熔化区及热影响区都很小。（2）合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀。）合金元素完全溶解于表层内，获得的改性层成分很均匀。（3）激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处，但激光熔覆后，）激光表面合金化与激光熔覆有许多相似之处，但激光熔覆后，体成分基本上不进入涂层中，而激光表面合金化形成的表面层体成分基本上不进入涂层中，而激光表面合金化形成的表面层是合金涂层与基体共同形成的混合层。是合金涂层与基体共同形成的混合层。51激光表面熔覆 激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔化到金属表激光熔覆是采用大功率激光束扫描金属表面，将选定的材料熔化到金属表面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂覆层。面，形成具有硬度高、耐磨性好、抗腐蚀等特性的涂覆层。激光熔覆技术示意图激光熔覆技术示意图1.短型光束或高斯型光束短型光束或高斯型光束2.气动送粉气动送粉3.测量孔测量孔4.振动器振动器5.粉末漏斗箱粉末漏斗箱6.CO2气体激光束高频振动气体激光束高频振动7.样品运动（样品运动（25.476.2cm/min）8.样品（样品（UDMET-700）9.熔覆厚度熔覆厚度10.熔覆层熔覆层52优点 与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。化大等特点，因此激光熔覆技术应用前景十分广阔。